摘要 當前高速管理機電設備管理還存在基礎信息不完善、管理效率低、未實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享等問題。為此，基于高速公路機電設備管理需求，文章研究高速公路機電設備數(shù)字化管理平臺，并在此基礎上，研究管理平臺的相應關鍵技術，旨在發(fā)揮平臺和關鍵技術的作用實現(xiàn)對高速公路機電設備全生命周期精細化管理，降低機電設備管理成本和難度，積極推動高速公路數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展。

關鍵詞 高速公路；機電設備；數(shù)字化；關鍵技術

中圖分類號 U418.7 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0154-03

0 引言

現(xiàn)階段正是我國落實交通強國建設部署的關鍵時期，有關推動數(shù)字化和新基建的政策文件陸續(xù)出臺，在此背景下，我國高速公路業(yè)發(fā)展也從追求建設速度和規(guī)模轉(zhuǎn)變?yōu)楦幼⒅匾?guī)模效益，高速公路基礎設施的數(shù)字化、信息化和智慧化發(fā)展進程不斷加快，智慧高速公路已經(jīng)成為推動我國交通強國建設的重要支撐[1]。智慧高速公路的建設，離不開大量信息化機電設備的應用部署，也加快了高速公路信息采集、傳輸、監(jiān)控、管理等技術迅猛發(fā)展[2]，但同時也給高速公路運營管理單位在機電設備管理、維護、保養(yǎng)等方面帶來了巨大挑戰(zhàn)，實時掌握各類高速公路機電設備運行狀態(tài)、快速處理各類設備故障、做好設備預防性養(yǎng)護工作，既是高速公路運營管理單位保障高速公路安全生產(chǎn)運營的需要，也是滿足社會發(fā)展、發(fā)揮高速公路經(jīng)濟和社會效益、不斷提高服務質(zhì)量、落實交通強國建設和的高速公路運營管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必然要求[3]。

1 高速公路機電設備數(shù)字化管理挑戰(zhàn)

高速公路機電設備數(shù)字化管理是一項龐大、復雜且系統(tǒng)化的工作，目前我國大多數(shù)高速公路機電設備管理模式還停留在粗獷型管理模式[4]，普遍呈現(xiàn)紙質(zhì)化、片面化、救火時、斷面式等特征，這種管理模式往往需要大量的人力支持，且缺乏統(tǒng)一、高效的管理手段，雖然隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術不斷發(fā)展，國內(nèi)部分高速公路運營管理單位也開始陸續(xù)在部署高速公路機電設備管理系統(tǒng)，但多以電子臺賬、資產(chǎn)管理、工程項目管理為主，遠未實現(xiàn)機電設備管理的數(shù)字化、數(shù)據(jù)化和智能化[5]，還存在著以下問題：

1.1 基礎信息數(shù)據(jù)不完善

現(xiàn)階段在高速公路運營管理方面，為了提升高速公路智慧化管理水平，各高速公路路段均使用了大量的機電設備，由于機電設備數(shù)字化管理起步較晚，設備基礎信息采集手段多以人工錄入為主，數(shù)據(jù)規(guī)模仍停留在小樣本數(shù)據(jù)階段，對設備基礎信息數(shù)據(jù)資源的掌握不全，缺乏統(tǒng)一的、精細化的高速公路機電設備基礎信息庫，高速公路機電設備管理人員對主要設備的管控，需要依靠人工巡檢結(jié)合電腦輔助完成，造成費時費力且數(shù)據(jù)不夠準確[6]。

1.2 設備管理效率低

高速公路機電設備管理理念仍停留于針對機電設備基礎管理，管理系統(tǒng)功能偏重于設備的出入庫、維修及損耗等方面，對機電設備數(shù)據(jù)分析應用能力薄弱，總體的數(shù)字化水平不高，很難有效地提升現(xiàn)有高速公路機電設備管理效率[7]，需要實現(xiàn)從基礎管理向數(shù)字化管理轉(zhuǎn)變，從全生命周期維度實施高速公路機電設備的動態(tài)管理。

1.3 未實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享

高速公路機電設備管理信息化建設方面，高速公路運營管理單位都基于自身需求設計，未能做到資源共享，沒有形成全局及共享的意識，與已有收費系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等系統(tǒng)之間缺乏互聯(lián)互通，無法快捷地實現(xiàn)跨系統(tǒng)業(yè)務集成，難以體現(xiàn)已有機電設備數(shù)據(jù)價值。

2 高速公路機電設備數(shù)字化管理研究

2.1 管理需求

進一步掌握高速公路機電設備基礎數(shù)據(jù)，保障高速公路機電設備的穩(wěn)定運行，維護高速公路出行者的生命和財產(chǎn)安全，亟須在現(xiàn)有高速公路新建與改造過程中，研究高速公路機電設備數(shù)字化管理平臺，改變原有高速公路機電設備管理存在的“重建設、輕管養(yǎng)”問題，推動高速公路機電設備管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，現(xiàn)階段高速公路機電設備數(shù)字化管理需求主要包括：

（1）建立高速公路機電設備數(shù)字化管理標準體系，為高速公路運營管理單位的機電設備管理工作提供一個客觀、嚴謹、可量化的標準和規(guī)范，以此有效指導高速公路機電設備管理、運營、維護工作，帶動高速公路機電設備管理工作從被動逐步走向主動，從依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗管理走向數(shù)字化管理[8]。

（2）建立高速公路機電設備資產(chǎn)臺賬，通過對機電設備資產(chǎn)管理組織、資產(chǎn)分類、資產(chǎn)名稱等建立統(tǒng)一編碼、名稱標準，形成高速公路機電設備資產(chǎn)卡片信息，通過資產(chǎn)卡片全面記錄機電設備基本信息、使用及變動信息、權屬信息、權證信息、價值信息等，實現(xiàn)高速公路機電設備的統(tǒng)一化、精細化管理。

（3）健全高速公路機電設備信息共享機制，充分發(fā)揮信息技術的優(yōu)勢，從高速公路長遠發(fā)展戰(zhàn)略目標入手，加強對設備運行情況的信息共享，支撐高速公路應急指揮、運行監(jiān)測、通信保障等，為智慧高速建設提供數(shù)據(jù)保障。

2.2 高速公路機電設備數(shù)字化管理平臺

以全面化、精細化的高速公路機電設備管理模式為基礎，采用全壽命周期管理理念，綜合利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術構(gòu)建統(tǒng)一的高速公路營運管理單位、政府監(jiān)管部門和設備維護企業(yè)等多方協(xié)同的高速公路機電設備數(shù)字化管理平臺，集機電前端智能感知設備，實現(xiàn)高速公路機電設備數(shù)據(jù)的智能采集，通過融合廠商數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對設備故障的自動檢測、及時報警和快速處置，進而實現(xiàn)設備資產(chǎn)的全生命周期精細化、透明化管理。同時利用人工智能分析和大數(shù)據(jù)挖掘技術，對積累的海量數(shù)據(jù)進行深度挖掘分析，形成多維度分析結(jié)果，實現(xiàn)對系統(tǒng)健康狀態(tài)、設備運行狀態(tài)、運維服務質(zhì)量、維護效率等的評價，并根據(jù)運維業(yè)務沉淀下來的知識經(jīng)驗，形成運維知識庫，指導運維工作的指揮與部署，進行精細化的人員派工、備品備件管理等，解決高速公路機電系統(tǒng)“重建設、輕管養(yǎng)”的問題，實現(xiàn)標準化養(yǎng)護流與調(diào)度流的全面集成，達到以信息化支撐機電全業(yè)務，增強部門協(xié)同、增強業(yè)主單位與維護單位的協(xié)同，以數(shù)字匯聚、聯(lián)合分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)化，推動業(yè)務數(shù)字化的發(fā)展，同時以數(shù)字驅(qū)動，預防性養(yǎng)護的邁進，強調(diào)實時控制、強化精細、精益管理和提高敏捷生產(chǎn)和高速反應的機電養(yǎng)護作戰(zhàn)部隊能力建設[9]。根據(jù)高速公路機電設備管理需要，平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

展示層：該層是平臺的最上層，也是平臺與用戶的交互層，通過可視化的用戶界面，實現(xiàn)高速公路機電設備管理信息瀏覽、與用戶的交互以及組織用戶請求，同時，該層還負責數(shù)據(jù)的輸入與數(shù)據(jù)表達等功能。

應用層：該層是連接用戶展示層與其他底層的橋梁。它響應來自用戶層的用戶請求，并將請求功能進行分類，不同的功能被分配到不同的連接中，實現(xiàn)應用程序?qū)Σ煌瑪?shù)據(jù)構(gòu)件的調(diào)用，同時給用戶服務層返回執(zhí)行結(jié)果。

支撐層：該層主要是為平臺功能實現(xiàn)提供支撐，并縮短開發(fā)工期，包括：工作流引擎、搜索引擎、日志管理、配置管理與中間件等。

數(shù)據(jù)層：該層是平臺的核心層，為應用層提供數(shù)據(jù)支撐，同時，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)交換共享平臺，可以讓平臺數(shù)據(jù)與外部系統(tǒng)之間互聯(lián)互通，支撐高速公路應急指揮、運行監(jiān)測、通信保障等。

基礎層：該層主要包括網(wǎng)絡設備、硬件設備、存儲設備、安全設備以及服務器等，通過該層實現(xiàn)平臺集約化部署建設。

3 高速公路機電設備數(shù)字化管理關鍵技術

3.1 智慧化協(xié)同管理技術

在高速公路機電設備營運管理中，通過數(shù)字化管理平臺，實現(xiàn)對機電設備運行狀態(tài)監(jiān)測與控制，保障機電設備的正常運行，降低設備故障發(fā)生率，從而全面提升高速公路機電設備的運行質(zhì)量，避免因高速公路機電設備故障對道路交通造成影響[10]。所以，在高速公路機電設備數(shù)字化管理過程中，需要應用智慧化協(xié)同管理技術，綜合利用智能傳感器、RFID電子標簽、紅外感應器、定位系統(tǒng)、激光掃描器等，實時采集設備運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)中心，進而實現(xiàn)對高速公路機電設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障情況信息的統(tǒng)一智能感知，支撐高速公路機電設備全生命周期管理，逐步實現(xiàn)養(yǎng)護工作的統(tǒng)一管理標準化、規(guī)范化、透明化、專業(yè)化和精細化，提升運維作業(yè)效率，提高運維管理水平，降低運維綜合成本。高速公路機電設備智能化協(xié)同管理流程如圖2所示。

3.2 大數(shù)據(jù)與人工智能技術

為滿足高速公路機電設備智能化管理需求，需要平臺具備相應數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析能力，為此，需融合數(shù)據(jù)中臺架構(gòu)思維，借助數(shù)據(jù)中臺強大的數(shù)據(jù)模型構(gòu)建能力，實現(xiàn)高速公路機電設備采集數(shù)據(jù)匯聚和模型化存儲，借助人工智能算法模型分析能力實現(xiàn)數(shù)據(jù)的深度挖掘分析，通過場景應用接口的開發(fā)為機電設備運行監(jiān)測、養(yǎng)護巡檢等應用工具提供數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)高速公路機電設備的統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集管理、統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心管理、統(tǒng)一開放框架管理、數(shù)據(jù)治理、運維管理和可視化應用展示，同時為機電運維業(yè)務的核心要素提供決策輔助，進一步提升高速公路機電養(yǎng)護業(yè)務運營和管理決策效率，避免了因維護過程拖拉，工期延長所造成的經(jīng)營費用的損失，從而大大降低高速公路業(yè)主的營運成本，最終以達到以信息化支撐機電全業(yè)務，增強部門協(xié)同、增強業(yè)主單位與維護單位的協(xié)同，以數(shù)字匯聚、聯(lián)合分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)化，推動業(yè)務數(shù)字化的發(fā)展。

3.3 機電設備故障診斷技術

由于公路機電設備規(guī)模大，每臺裝備設置的監(jiān)測點多，監(jiān)測參數(shù)采樣頻率高，設備在役時間長，形成了海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的基于特征提取的故障診斷技術難以應對海量數(shù)據(jù)的處理，無法滿足機電設備故障診斷與預測的需求。因此，依托龐大的設備資料數(shù)據(jù)庫、設備的常見故障記錄、使用年限和使用限制約束等實際應用情況，通過建構(gòu)智能機電設備故障診斷模型，結(jié)合深度學習算法，對于機電設備故障模型進行訓練，進一步提高模型精度，提升機電設備故障設備準確性，及時掌握高速公路機電設備的運行狀況，當機電設備發(fā)生故障或疑似故障時能第一時間發(fā)出預警信息，通過平臺告知維護人員快速處理，極大地保障了高速工機電設備運行穩(wěn)定、安全、可靠，有效規(guī)避了傳統(tǒng)模式下設備發(fā)生事故后采取應急措施的被動局面[11]；同時，基于海量設備故障信息數(shù)據(jù)，還可以幫助交通管理部門在設備選型以及為設備生產(chǎn)商進行設備改良提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)語

當前我國高速公路建設正進入“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”發(fā)展的關鍵時期。高速公路機電設備管理是高速公路數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的重點也是難點。后高速時代，高速公路機電設備信息化管理平臺的建設必不可少。該文針對當前高速公路機電設備管理需求，研究高速公路數(shù)字化管理平臺，分析了該平臺總體架構(gòu)情況，再開展了該平臺的關鍵技術研究，該平臺的提出將有助于實現(xiàn)對機電設備全生命周期精細化管理，降低機電設備管理成本和難度，滿足了高速公路運營管理單位對機電設備的科學管理需求。

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